RU2816471C1 - Device for obtaining heat energy of hydrogen and oxygen with power control - Google Patents
Device for obtaining heat energy of hydrogen and oxygen with power control Download PDFInfo
- Publication number
- RU2816471C1 RU2816471C1 RU2023116109A RU2023116109A RU2816471C1 RU 2816471 C1 RU2816471 C1 RU 2816471C1 RU 2023116109 A RU2023116109 A RU 2023116109A RU 2023116109 A RU2023116109 A RU 2023116109A RU 2816471 C1 RU2816471 C1 RU 2816471C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cathode
- anode
- hydrogen
- oxygen
- thermal energy
- Prior art date
Links
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 title claims abstract description 24
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 24
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 23
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 title claims abstract description 23
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 23
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 22
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 claims description 5
- 239000012670 alkaline solution Substances 0.000 claims description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 8
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 7
- 238000001311 chemical methods and process Methods 0.000 abstract description 4
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 abstract description 4
- 239000011819 refractory material Substances 0.000 abstract description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 13
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 9
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 7
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 6
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 5
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 239000012190 activator Substances 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 2
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 2
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 1
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 239000012224 working solution Substances 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к физико-химическим процессам получения тепловой энергии из водорода и кислорода при электролизе воды.The invention relates to physical and chemical processes for obtaining thermal energy from hydrogen and oxygen during the electrolysis of water.
Известно техническое решение, описанное в патенте РФ №103807 U1, где используется система для получения тепловой энергии содержит электрохимический активатор, выполненный в виде емкости, заполненный водой и снабженный регулятором уровня, электрокинетический испаритель, параметрический молекулярный резонатор, соединенные между собой посредством соединительных элементов (трубная система). Система также содержит накопительную емкость и котел (теплообменник) с термокатом, блоки управления, гидравлического вентиля, высоковольтный блок, выполненный по схеме умножителя напряжения. Параметры электрохимического активатора: мощность 220 Вт и ток 0,99 А, площадь электродов S=18⋅10-3m2. Технический результат - получения топливного газа из водных растворов с последующим его беспламенным сжиганием для получения горячей воды для системы горячего водоснабжения (ГВС).A technical solution is known, described in RF patent No. 103807 U1, where a system for generating thermal energy is used and contains an electrochemical activator, made in the form of a container, filled with water and equipped with a level regulator, an electrokinetic evaporator, a parametric molecular resonator, interconnected by means of connecting elements (pipe system). The system also contains a storage tank and a boiler (heat exchanger) with a thermocoat, control units, a hydraulic valve, and a high-voltage unit made according to a voltage multiplier circuit. Parameters of the electrochemical activator: power 220 W and current 0.99 A, electrode area S=18⋅10 -3 m 2 . The technical result is the production of fuel gas from aqueous solutions followed by flameless combustion to produce hot water for a hot water supply system (DHW).
К недостаткам данного изобретения можно отнести следующее: в данном физико-химическом процессе не предусмотрено регулирование тепловой мощности установки и неясно, какая плотность щелочного раствора применялась.The disadvantages of this invention include the following: this physical and chemical process does not provide for regulation of the thermal power of the installation and it is unclear what density of the alkaline solution was used.
Известно техническое решение, описанное в патенте России №2157861 (прототип), для получения тепловой энергии водорода и кислорода, содержащее корпус, выполненный из диэлектрического материала, крышку, также выполненную из диэлектрического материала, которая имеет цилиндроконический прилив со сквозным отверстием, образующий совместно с корпусом анодную и катодную полости, анод выполнен плоским, кольцевым с отверстиями, расположен в анодной полости и соединен с положительным полюсом источника питания, катод - в виде стержня из тугоплавкого материала, вставлен в диэлектрический стержень с наружной резьбой, посредством которой он введен в межэлектродную камеру через резьбовое отверстие в корпусе и центрирован в сквозном отверстии крышки и соединен с отрицательным полюсом источника питания, патрубок для ввода рабочего раствора расположен в средней части анодной полости.A technical solution is known, described in Russian patent No. 2157861 (prototype), for obtaining thermal energy of hydrogen and oxygen, containing a housing made of dielectric material, a cover also made of dielectric material, which has a cylindrical-conical boss with a through hole, forming together with the housing anode and cathode cavities, the anode is made flat, annular with holes, located in the anode cavity and connected to the positive pole of the power source, the cathode is in the form of a rod made of refractory material, inserted into a dielectric rod with an external thread, through which it is inserted into the interelectrode chamber through a threaded hole in the housing and centered in the through hole of the cover and connected to the negative pole of the power source, the pipe for introducing the working solution is located in the middle part of the anode cavity.
Недостатками описанного выше изобретения является: Не предусмотрено регулирование выделения тепла при электролизе воды, в зависимости от технологических нужд, что ведет к нерегулируемым энергозатратам.The disadvantages of the invention described above are: There is no provision for regulation of heat release during the electrolysis of water, depending on technological needs, which leads to unregulated energy consumption.
Техническим результатом является разработка устройства для получения тепловой энергии водорода и кислорода с регулированием мощности и повышением производительности.The technical result is the development of a device for producing thermal energy of hydrogen and oxygen with power control and increased productivity.
Технический результат достигается за счет того, что устройство для получения тепловой энергии водорода и кислорода с регулированием мощности, содержащее корпус из диэлектрического материала, анод, выполненный плоским, кольцевым и соединенный с положительным полюсом источника питания через анодные крепления, катод, соединенный с отрицательным полюсом источника питания, входной и выходной патрубки для протекания щелочного раствора, отводные каналы для отвода водорода и кислорода, отличается наличием диэлектрического держателя катода, выполненного с возможностью регулирования межэлектродного расстояния от 20 до 40 мм, причем катод состоит из металлического стержня и сменного наконечника, регулируемого по вертикали за счет резьбового соединения с диэлектрическим держателем катода, который вместе с катодом введен в межэлектродную камеру через резьбовое отверстие сверху корпуса, при этом анод и катод подсоединены к источнику импульсного питания частотой 500 Гц.The technical result is achieved due to the fact that a device for producing thermal energy of hydrogen and oxygen with power control, containing a housing made of dielectric material, an anode made flat, ring-shaped and connected to the positive pole of the power source through anode mounts, a cathode connected to the negative pole of the source power supply, inlet and outlet pipes for the flow of an alkaline solution, outlet channels for the removal of hydrogen and oxygen, characterized by the presence of a dielectric cathode holder, made with the ability to regulate the interelectrode distance from 20 to 40 mm, and the cathode consists of a metal rod and a replaceable tip, adjustable vertically due to a threaded connection with a dielectric cathode holder, which, together with the cathode, is inserted into the interelectrode chamber through a threaded hole on top of the housing, while the anode and cathode are connected to a pulsed power source with a frequency of 500 Hz.
Наличие диэлектрического держателя катода, позволяет регулировать межэлектродное расстояние от 20 до 40 мм тем, с возможностью регулирования интенсивности плазмоэлектролитического процесса, сочетающегося с интенсивностью получения водорода и кислорода, и соответственно возможностью регулирования тепловой мощности установки. Кроме того, возможно изменение мощности в зависимости от плотности используемого раствора щелочи. При этом процесс электролиза протекает с использованием водного раствора щелочи NaOH заданной плотности от 1010 до 1050 кг/м3, при величине импульсного напряжения 220 В и импульсного тока величиной 0,98 А. Регулирование мощности тепловой энергии данной установки имеет важное значение для локального отопления помещений и получения водорода и кислорода для технологических нужд с меньшими энергетическими затратами.The presence of a dielectric cathode holder allows you to adjust the interelectrode distance from 20 to 40 mm, with the ability to regulate the intensity of the plasma-electrolytic process, combined with the intensity of hydrogen and oxygen production, and, accordingly, the ability to regulate the thermal power of the installation. In addition, it is possible to change the power depending on the density of the alkali solution used. In this case, the electrolysis process proceeds using an aqueous NaOH alkali solution of a given density from 1010 to 1050 kg/m 3 , with a pulse voltage of 220 V and a pulse current of 0.98 A. Regulation of the thermal energy power of this installation is important for local heating of premises and obtaining hydrogen and oxygen for technological needs with lower energy costs.
По данным патентно-технической литературы не обнаружена аналогичная совокупность признаков, позволяющих регулировать тепловую мощность установки, что позволяет судить об изобретательском уровне предложения.According to the patent and technical literature, a similar set of features has not been found that makes it possible to regulate the thermal power of the installation, which makes it possible to judge the inventive level of the proposal.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображена установка для получения тепловой энергии водорода и кислорода с регулируемой мощностью.The essence of the invention is illustrated by the drawing, where in FIG. 1 shows an installation for producing thermal energy of hydrogen and oxygen with adjustable power.
Устройство состоит из корпуса из диэлектрического материала (1), катода (2) состоящего из металлического стержня и сменного металлического наконечника регулируемого по вертикали за счет резьбового соединения с диэлектрическим держателем (7), который позволяет регулировать расстояние между катодом и анодом (3) анодными креплениями (4). Устройство снабжено входным (5) и выходным патрубками (6) для протекания щелочного раствора, отводными каналами предназначенными для отвода водорода и кислорода (8).The device consists of a body made of dielectric material (1), a cathode (2) consisting of a metal rod and a replaceable metal tip adjustable vertically due to a threaded connection with a dielectric holder (7), which allows you to adjust the distance between the cathode and anode (3) by anode fastenings (4). The device is equipped with inlet (5) and outlet pipes (6) for the flow of an alkaline solution, and outlet channels designed for the removal of hydrogen and oxygen (8).
Устройство получения тепловой энергии водорода и кислорода с регулированием мощности работает следующим образом. Подготовленный раствор щелочи NaOH с плотностью 1010-1050 кг/м3 поступает в корпус устройства 1, в это же время подается импульсное напряжение на катод и анод, начинается плазмоэлектролитический процесс с возникновением плазмы, в течение которого на катоде выделяется водород на аноде кислород, в результате данного процесса происходит выделение тепла за счет частичного сгорания газов при взаимодействии водорода с кислородом образующихся на электродах. Стабилизация процесса горения водорода достигается путем изменения расстояния между электродами в диапазоне от 20 до 40 мм при помощи диэлектрический держатель катода (7), посредством которого можно регулировать и мощность установки в зависимости от плотности используемого раствора щелочи. Экспериментальным путем установлено, что оптимальными режимами плазмоэлектролитического процесса, позволяющими получить максимальный выход тепловой энергии и снизить энергозатраты являются: раствор щелочи плотностью 1030 кг/м3, импульсное напряжение питания 220 В, электрическим ток величиной 0,98 А и частотой 500 Гц, межэлектродное расстояние 30 мм.A device for producing thermal energy of hydrogen and oxygen with power control operates as follows. The prepared NaOH alkali solution with a density of 1010-1050 kg/m 3 enters the housing of device 1, at the same time a pulse voltage is applied to the cathode and anode, the plasma-electrolytic process begins with the appearance of plasma, during which hydrogen is released at the cathode, oxygen at the anode, and As a result of this process, heat is released due to the partial combustion of gases during the interaction of hydrogen with oxygen formed on the electrodes. Stabilization of the hydrogen combustion process is achieved by changing the distance between the electrodes in the range from 20 to 40 mm using a dielectric cathode holder (7), through which the power of the installation can be adjusted depending on the density of the alkali solution used. It has been established experimentally that the optimal modes of the plasma-electrolytic process, allowing to obtain the maximum output of thermal energy and reduce energy costs, are: alkali solution with a density of 1030 kg/m 3 , pulsed supply voltage of 220 V, electric current of 0.98 A and a frequency of 500 Hz, interelectrode distance 30 mm.
При уменьшении межэлектродного расстояния до 20 мм наблюдается минимальный выход газов водорода и кислорода и соответственно, выделения тепла. При межэлектродном расстоянии 30 мм наблюдается резонансный режим, при котором происходит оптимальное получение водорода и кислорода с выделением максимального тепловой энергии. Межэлектродное расстояние в 40 мм приводит к интенсивному выделению кислорода и водорода, которое ведет к увеличению удельного сопротивления установки и уменьшению энергетической эффективности, то есть уменьшению тепловой энергии. При уменьшении плотности раствора щелочи до 1010 кг/м3 или 1020 кг/м3 плазмоэлектролитический процесс протекает с меньшей интенсивностью выделения тепловой энергии, при увеличении плотности до 1040 кг/м3или 1050 кг/м3 происходит увеличение концентрации выделяемых газов, которые образуют газовое пространство, приводящее к увеличению удельного сопротивления раствора, что снижает тепловую мощность установки.When the interelectrode distance is reduced to 20 mm, a minimum yield of hydrogen and oxygen gases and, accordingly, heat generation are observed. At an interelectrode distance of 30 mm, a resonance mode is observed, in which optimal production of hydrogen and oxygen occurs with the release of maximum thermal energy. An interelectrode distance of 40 mm leads to intense release of oxygen and hydrogen, which leads to an increase in the resistivity of the installation and a decrease in energy efficiency, that is, a decrease in thermal energy. When the density of the alkali solution decreases to 1010 kg/m 3 or 1020 kg/m 3, the plasma-electrolytic process proceeds with a lower intensity of thermal energy release; when the density increases to 1040 kg/m 3 or 1050 kg/m 3 , the concentration of released gases increases, which form gas space, leading to an increase in the specific resistance of the solution, which reduces the thermal power of the installation.
Импульсное напряжение 220 В и частота 500 Гц позволяют осуществить резонансный режим, при котором происходит максимальное выделение водорода на катоде площадью s=2,6⋅10-3m2 и кислорода на аноде площадью s=2,9⋅10-4m2 с последующим сгоранием и синтезом тепла, при оптимальном энергосбережении. Если рассмотреть ближайшие частоты 400 и 600 Гц, то на таких частотах резонанс не наблюдается и соответственно не происходит максимального выделения водорода и кислорода с последующим синтезом тепла. Для расчета тепловой мощности используется стандартная формула расчетаA pulse voltage of 220 V and a frequency of 500 Hz allows for a resonant mode, in which the maximum release of hydrogen occurs on the cathode with an area of s = 2.6⋅10 -3 m 2 and oxygen on the anode with an area of s = 2.9⋅10 -4 m 2 s subsequent combustion and heat synthesis, with optimal energy saving. If we consider the nearest frequencies of 400 and 600 Hz, then at such frequencies resonance is not observed and, accordingly, the maximum release of hydrogen and oxygen with subsequent synthesis of heat does not occur. To calculate thermal power, a standard calculation formula is used
Qн=с⋅Δt⋅mQ n =с⋅Δt⋅m
где с - теплоемкость раствора, 4,19 кДж/кг; Δt - разница температур на выходе и на входе устройства, °С; m - масса проходящего раствора.where c is the heat capacity of the solution, 4.19 kJ/kg; Δt - temperature difference at the outlet and inlet of the device, °C; m is the mass of the passing solution.
Пример конкретного осуществления заявляемого устройства. Раствор щелочи плотностью 1030 кг/м3 подается в устройство показанное на фиг 1. Происходит разложение воды на кислород и водород с последующим их сгоранием и выделением тепла 233,80 кДж. Длительность опыта 5 мин.An example of a specific implementation of the proposed device. An alkali solution with a density of 1030 kg/m 3 is fed into the device shown in Fig. 1. Water decomposes into oxygen and hydrogen, followed by their combustion and heat release of 233.80 kJ.
Для доказательства эффективности устройства были проведены производственные опыты с расстоянием межэлектродного пространства 20, 30 и 40 мм и частотой импульсного тока 500 Гц (табл.1).To prove the effectiveness of the device, production experiments were carried out with an interelectrode distance of 20, 30 and 40 mm and a pulse current frequency of 500 Hz (Table 1).
Проведенные исследования показали, что при варьировании межэлектродного расстояния от 20 до 40 мм наиболее эффективная плотность раствора составила 1030 кг/м3, при которой выход тепловой энергии составил (в кДж) 150,84, 233,8 и 147,07 соответственно, при расстоянии между катодом и анодом 30 мм, что подтверждает эффективность работы установки по заявленному способу.The studies showed that when the interelectrode distance varied from 20 to 40 mm, the most effective density of the solution was 1030 kg/m 3 , at which the thermal energy output was (in kJ) 150.84, 233.8 and 147.07, respectively, at a distance between the cathode and anode is 30 mm, which confirms the efficiency of the installation according to the claimed method.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2816471C1 true RU2816471C1 (en) | 2024-03-29 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3969214A (en) * | 1973-05-31 | 1976-07-13 | Mack Harris | Permanent magnet hydrogen oxygen generating cells |
| US4107008A (en) * | 1975-06-16 | 1978-08-15 | Beeston Company Limited | Electrolysis method for producing hydrogen and oxygen |
| RU2157861C2 (en) * | 1998-11-25 | 2000-10-20 | Кубанский государственный аграрный университет | Device for production of heat energy, hydrogen and oxygen |
| RU2175027C2 (en) * | 1999-06-03 | 2001-10-20 | Закрытое акционерное общество "Неоэнергия" | Apparatus for producing heat energy, hydrogen and oxygen |
| RU2177512C1 (en) * | 2000-07-24 | 2001-12-27 | Кубанский государственный аграрный университет | Apparatus for producing electrical and heat energy, hydrogen, and oxygen |
| RU2260075C2 (en) * | 2003-11-10 | 2005-09-10 | Кубанский государственный аграрный университет | Apparatus for producing heat energy, hydrogen, and oxygen |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3969214A (en) * | 1973-05-31 | 1976-07-13 | Mack Harris | Permanent magnet hydrogen oxygen generating cells |
| US4107008A (en) * | 1975-06-16 | 1978-08-15 | Beeston Company Limited | Electrolysis method for producing hydrogen and oxygen |
| RU2157861C2 (en) * | 1998-11-25 | 2000-10-20 | Кубанский государственный аграрный университет | Device for production of heat energy, hydrogen and oxygen |
| RU2175027C2 (en) * | 1999-06-03 | 2001-10-20 | Закрытое акционерное общество "Неоэнергия" | Apparatus for producing heat energy, hydrogen and oxygen |
| RU2177512C1 (en) * | 2000-07-24 | 2001-12-27 | Кубанский государственный аграрный университет | Apparatus for producing electrical and heat energy, hydrogen, and oxygen |
| RU2260075C2 (en) * | 2003-11-10 | 2005-09-10 | Кубанский государственный аграрный университет | Apparatus for producing heat energy, hydrogen, and oxygen |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4184931A (en) | Method of electrolytically generating hydrogen and oxygen for use in a torch or the like | |
| US12245352B2 (en) | Plasma generator | |
| RU2157861C2 (en) | Device for production of heat energy, hydrogen and oxygen | |
| JP2005240152A (en) | Method and device for electrolyzing water | |
| KR20130108437A (en) | Electrolytic | |
| RU2816471C1 (en) | Device for obtaining heat energy of hydrogen and oxygen with power control | |
| RU2175027C2 (en) | Apparatus for producing heat energy, hydrogen and oxygen | |
| RU99112024A (en) | DEVICE FOR PRODUCING THERMAL ENERGY, HYDROGEN AND OXYGEN | |
| RU2821976C1 (en) | Flow-through device for producing heat energy, hydrogen and oxygen | |
| JP3637039B2 (en) | Hydrogen gas generation method and hydrogen gas generator | |
| RU2836668C1 (en) | Device of multi-electrode type for generation of thermal energy of hydrogen and oxygen | |
| RU2258097C1 (en) | Device for production of thermal energy, hydrogen and oxygen | |
| RU2167958C2 (en) | Gear to generate thermal energy, hydrogen and oxygen | |
| RU2821975C1 (en) | Method of producing thermal energy, hydrogen and oxygen | |
| RU2606396C2 (en) | Method and device for production of plasma | |
| RU2836670C1 (en) | Method of producing hydrogen and oxygen | |
| RU2258098C1 (en) | Device for production of thermal energy, hydrogen and oxygen | |
| CN110980641B (en) | A gas-liquid two-phase efficient hydrogen production device and method | |
| RU2256007C9 (en) | Apparatus for producing heat power, hydrogen and oxygen | |
| RU2816078C1 (en) | Hydrogen production device | |
| RU2260075C2 (en) | Apparatus for producing heat energy, hydrogen, and oxygen | |
| CN113365404A (en) | Dielectric barrier discharge plasma auxiliary coal combustion generating device | |
| RU2156832C1 (en) | Plant generating hydrogen and oxygen | |
| RU2288972C2 (en) | Device for production of the heat energy, hydrogen and oxygen | |
| RU2279497C1 (en) | Heat power generator operation method |